（安全技术及工程专业论文）冰蓄冷空调系统的经济性分析.pdf

s u b j e c t ：t h ee c o n o m i c a n a l y s i so f i c es t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g a u t h o r ：s o n gx i a o l u i n s t r u c t o r ：匦面j ic h a n g f a a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 7 s in a t u r e ts i g n a t u r e )夕 i c e s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mw i l li m p r o v et h ee n e r g yc o e f f i c i e n to fu t i l i z a t i o n a n do p t i m i z ee n e r g yr e s o u r c ed i s p o s i t i o n ，w h i c hi sa l li m p o r t a n tm e a s u r et or e a l i z et h e “s h i f t p e a kl o a dt o l o wp e r i o d o fe l e c t r i c a lw i r ea n di sa l s oam a i no r i e n t a t i o nf o rm o d e m a i r - c o n d i t i o n i n gd e v e l o p m e n t s o ，i ti so fr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et om a k eat e c h n i c a la n a l y s i s a b o u ti c e ：s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h et e c h n i c a la n d e c o n o m i ca n a l y s i so ft h e r m a ls t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gh a v ea ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a t i o n b u tt h ei n v e s t m e n tc o s to fi c e - s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sh i g h e rt h a nt h a to fc o n - v e n t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，t h ek e yp o i n tw h e t h e rw eu s ei c e s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mi si t se c o n o m i c ，t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c ha f f e c ti t se c o n o m i c ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e s o m ef a c t o r ss u c ha st h ec o l dl o a dd i s t r i b u t i o no fa i r - c o n d i t i o n i n g ，e l e c t r i cp o w e rp o l i c ya n dp e a k v a l l e ye l e c t r o v a l e n c e ，i c e - s t o r a g es t r a t e g yo fi c e s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，t h ec o n t r o l l i n gs t r - a t e g yo fi c e s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，t h ea r r a n g e m e n tw a yo fi c e - s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m ，t h er a t eo fi c e s t o r a g e ，t h et y p eo fi c e - s t o r a g ee q u i p m e n ta n dt h er e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n t ， w h e t h e ru s e st h el o wt e m p e r a t u r eb l a s ts y s t e mw h i c ha f f e c tt h ee c o n o m i c t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h e s t a t i ca n dd y n a m i ce c o n o m ya n a l y s i sm o d e lo fi c e s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dw o r ko u t t h ee c o n o m i ca n a l y s i so fp r a c t i c a le x a m p l e sb yu s i n gt h es t a t i ce c o n o m ya n a l y s i sm o d e l ，t h e c o n c l u s i o n sa r e ： ( 1 ) w h e t h e rt h ei c e - s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sa p p l i c a b l eo rn o td e p e n d so n w h e t h e rt h ei n c r e a s e di n v e s t m e n tc a nb ec a l l e db a c ki nas h o r tt i m e ，i ti se c o n o m i ci ft h e r e c o v e r yp e r i o di sg e n e r a l l yw i t h i nf i v ey e a r s i ft h er e c o v e r yp e r i o di sl o n g e r , w ed on o tu s e e v e ni fo p e r a t i n gc o s ti sr e l a t i v e l yl o w e r ( 2 ) i nf a c t ，t h e r ea r ed i f f e r e n tf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ee c o n o m i ci nd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fi c e - s t o r a g ea i r - - c o n d i t i o n i n gs y s t e mw i l la c h i e v ef a v o r a b l e e c o n o m i c a lb e n e f i ti ft h ed e s i g nm o d e la n do p e r a t i n gt a c t i ca r ep r o p e r l yc h o s e n t h ed e s i g n e r sm u s td e v i s ea ne c o n o m i ci c e s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m sa c c o r d i n g t ot h ea c t u a ls i t u a t i o n i nf a c t ，t h ec o n t r o lp o i n t sa l ec o m p l e xi nt h es y s t e m s i tr e q u i r e s d i f f e r e n to p e r a t i n gs t r a t e g i e si nd i f f e r e n ts i m m i o n t h e r e f o r ei ti sv e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v e “s h i f tp e a kl o a dt ol o w p e r i o d ”i ft h ed e s i g n i n gi su n r e a s o n a b l e k e y w o r d ：i c e - s t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n g e c o n o m i ca n a l y s i s c o n v e n t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n gi n v e s t m e n tf o rt h ef i r s ts t a g e r e c o v e r yp e r i o d t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名凑! 邂啾璐日期： p 6 、5 、3 i 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：承、邀i 诘奄 指导教师签名： 、 斫己锄k 年占月3 1 日 1 绪论 1 1 蓄冷技术发展的必然性 1 绪论 随着经济的发展和人民生活水平的提高，空调已成为现代化建筑中不可缺少的设 施，空调能耗所占比例呈上升的趋势。空调( 包括采暖) 系统是耗能大户，一些发达国家 空调能耗在国民经济总耗能中的比例高达2 0 3 0 ，我国有的地区如广州，空调系 统的耗电量己占城市总用电量的4 0 眩j 以上，占建筑物的总耗电量的6 0 7 0 。据统 计，一些大城市空调耗电量己占城市高峰用电量的3 0 以上。 在目前能源紧缺、电力紧张的形势下，我国的电力状况一方面在用电高峰时段远远 不能满足需求；另一方面在用电低谷时段城市用电负荷却增加缓慢、甚至下降。这造成 城市用电峰谷差日趋加大，电网的峰谷差与高峰负荷之比已高达2 5 3 5 ，有时甚至 达到或超过4 0 口3 。据国家统计局统计2 0 0 4 年全国有3 4 个省、直辖市、自治区发生断 电现象，高峰用电供需差超过4 0 0 0 万k w ，仅华东地区就超过了2 0 0 0 万k w 。因此，研 究如何节能，如何用水蓄能发电，如何推广采用水蓄冷与冰蓄冷等等，乃是当务之急。 用水蓄冷要建大面积的水池，在建筑中一般难以解决，唯有冰蓄冷工程既可以节省大量 的建设资金，又可以给业主和国家带来巨大的社会效益与经济效益。 蓄冷空调技术对于电力部门来说是目前所有可能采用的调峰技术中最经济也是最 有效的方式。在一些发达国家，蓄冷空调技术己作为电力负荷的调峰重要手段被广泛采 用。据有关资料统计，它平均转移空调尖峰用电负荷3 6 4 4 5 m 3 ，对平衡电网负荷有 着显著作用。因此，当前如何迅速发展与应用冰蓄冷空调，己由倡导性发展到必要性阶 段了。 1 2 发展冰蓄冷空调技术的社会背景、意义以及前景 1 2 1 发展冰蓄冷空调技术的社会背景 随着国家改革开放的深入，我国的综合国力和人民生活水平都有较大程度的提高。 电力工业作为国民经济的基础产业之一，已取得长足的发展。我国近年来的总装机容量 已达到年增长1 5 x l o7 k w 的水平，1 9 9 6 年发电装机容量已居世界第二位。截止到1 9 9 7 年底，全国发电装机总量达2 5 x 1 0 8 k w ，年发电量达1 1 1 3 2 x 1 0 1 2 k w h 。但是，电力的增 长仍然满足不了国民经济的快速发展和人民生活用电急剧增长的需要，全国缺电局面仍 未得到根本的改变。 目前电力供应紧张表现为： 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 电网负荷率低，系统峰谷差加大，高峰电力严重不足，致使电网经常拉闸限电。 近几年，全国主要电网负荷率平均每年降低一个百分点，电网的峰谷差占高峰负荷的比 例已高达2 5 3 0 5 1 0 随着用电结构的变化，工业用电比重相对减少，城市生活、商 业用电快速增长，造成电网高峰限电，低谷用电上不去的问题也越来越突出。 ( 2 ) 城市电力消费增长迅速，而城市电网不能适应，造成有电送不出、配不下的局面。 多年来由于输配电建设落后于发电厂建设，造成电网结构薄弱，电网承受能力差。尤其 在炎热的夏季，由于持续的高温天气，用电负荷骤增，许多大中城市都出现了配电设备 超载运行的情况。 解决电力不足的问题哺3 ，一方面是靠增加对电力的投入，加快电力建设的步伐， 多装机组；另一方面还要坚持开发与节约并重的能源工作方针，加强计划用电与节约用 电，通过经济的、技术的、行政的和法律的手段，鼓励用户节约用电，移峰填谷，充分 利用现有电力资源，大力开发低谷用电。为鼓励用户移峰填谷，电力部门会同地方制定 了峰谷电价政策，将高峰电价与低谷电价拉开，使低谷电价只相当于高峰电价的1 2 - 1 5 ， 鼓励用户使用低谷电，这项政策目前己在部分地区实施，并将推广至全国。 在电力供应紧张的情况下，峰谷电价政策的实施，为蓄冷空调技术提供了广阔的发 展前景噶3 。目前，冰蓄冷空调系统仅在少数地方的工程上设计和使用。因而，大家对于 冰蓄冷空调系统的设计和设备配套及其安装、操作、管理等方面，尚了解不多，更缺乏 经验。冰蓄冷空调系统比常规空调系统的初投资要大，这势必为其广泛应用带来困难， 因此冰蓄冷空调系统的经济性问题是人们关注的一个重点。 1 2 2 应用冰蓄冷空调技术的意义 所谓冰蓄冷空调四1 ，就是在电力负荷很低的夜间即用电低谷期，采用电动制冷机制 冷，利用蓄冷介质的显热或潜热特性，用一定方式将冷量储存起来。在电力负荷较高的 白天即用电高峰期，把储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺的需要。这 样以来，制冷系统的大部分耗电发生在夜间用电低谷期，与常规空调系统相比，蓄冷空 调系统可均衡电网峰谷负荷，缓解电力紧张。 在能源消费逐年增加的情况下，应用冰蓄冷空调技术具有较大的社会效益和经济效 益，主要表现在以下几个方面叫： ( 1 ) 削峰填谷、平衡电力负荷。近年来，我国电力工业发展很快，发电装机容量居 世界第二位，但电力供应仍很紧张，其特点是高峰时电力不足、被迫拉闸限电，低谷时 电又用不了、被迫关停部分发电机机组。若不采取削峰填谷措施，那么为了满足用户对 高峰负荷的需求，电网就要增大装机容量，耗资巨大。蓄冷空调是符合削峰填谷的强有 力措施。 ( 2 ) 改善发电机组效率、减少环境污染。应用蓄冷空调技术可以改善电厂发电机组 2 1 绪论 的运行状况，减少对矿物燃料的消耗和运行费用高、效率低的调峰电站的投入；在核电 带基本符合的电网里，可稳定其负荷水平，多使用清洁的核电，减少烟尘和c 0 2 的排放， 减少环境污染，从而改善能源使用状况和利用率。 ( 3 ) 减小机组装机容量、节省空调用户的电力花费。应用蓄冷技术可以减d , n 冷设 备的容量，使机组原始投资费用减少。当然，蓄冷空调系统增加了蓄冷设备费用，对于 每一个工程应进行具体核算。另外，蓄冷空调可使制冷机在稳定的、高效的经济负荷下 运行，而且，夜间环境温度的降低会使制冷设备的制冷量有所提高、能耗有所降低。空 调用户的电力花费一为增容费，二为响应配电装置的初投资，三为运行电费。由于蓄冷 空调将白天的高峰电负荷部分转移至夜间，空调的配电装置容量可大大减小，从而较大 幅度的降低了前两项费用；同时，由于峰谷电价的实施，蓄冷空调的运行电费也大为下 降，因此带来较大的经济效益。 ( 4 ) 改善制冷机组运行效率。空调用制冷机组( 活塞式、螺杆式、离心式) 运行时， 其效率随着负荷的变化而变化，因此，蓄冷空调系统可根据空调负荷的大小使机组处于 最佳效率下运行。 ( 5 ) 蓄冷空调系统特别适用于负荷比较集中、变化比较大的场合，如体育馆、影剧 院、音乐厅等。在这些场所，几千人甚至上万人在短时间内集中在空调区域内，因此， 可用小容量制冷机组提前开机蓄冷、把小负荷冷量储存起来，供大负荷使用，这样可大 大减小制冷机组装机容量。 ( 6 ) 应用蓄冷空调技术，可扩大空调区域使用面积。现有的空调系统，有的仅在白 天供冷，如写字楼、工厂及商场等，在这种情况下，对想扩大空调送冷面积的用户，只 要设置与送冷负荷相匹配的蓄冷设备，并利用低谷时段的冷量，就能达到不增加制冷机 组而又能不间断供冷的目的。 ( 7 ) 适合于应急设备所处的环境，如医院、计算机房、军事设施、电话机房和易燃 易爆物品仓库等。使用应急蓄冷系统可大大减少对应急能源的依赖，提高系统的可靠性。 在这些场所，即使没电或停电，利用自备的小发电机组发电供空调风机和水泵使用，同 样可使这些场所用上空调。 1 2 3 应用蓄冷空调技术的前景 蓄冷空调技术应用领域十分广泛，主要应用在下列领域 1 1 3 ： ( 1 ) 商业建筑、宾馆、饭店、银行、办公大楼的中央集中式空调系统。在这些建筑 物中，夏季空调负荷相当大，冷负荷持续在工作时间内，且随着白天气温的变化而变化。 冷负荷高峰期基本上是在午后，和供电高峰期相同。 ( 2 ) 家用空调。家用空调用电特点是用电集中，数量大，持续时间长，常常是持续 至深夜。家用空调蓄冷可以利用白天上班时间不需要家用空调的时候进行，也可以在后 西安科技大学硕士学位论文 半夜低谷时进行蓄冷，视具体情况而定。若能在家用空调上普及推广蓄冷技术，将大大 削减供电高峰负荷。日本现在已开发出带蓄冷的小型空调机组，用在一些民用和商用建 筑上。 ( 3 ) 体育馆、影剧院。这些场所冷负荷量大，持续时间短，且无规律性，适宜于采 用蓄冷空调系统。 为推动蓄冷空调技术在我国的广泛应用并保证其正确实施，国家经贸委办公厅已颁 布文件，其中将冰蓄冷空调作为今后的重点发展项目。要加大推行峰谷电价的力度，鼓 励峰谷电价政策的出台及其不断的发展和完善，将为促进我国蓄冷空调的发展和应用创 造良好的外部经济环境，蓄冷技术在我国的应用将形成不可逆转的趋势。 1 3 国内外应用蓄冷技术的历史、现状及发展方向 1 3 1 蓄冷技术发展的历史与现状 自古以来，人们就懂得使用天然冰保存食物和改善环境 1 2 1 。采用人工制冷的空调 蓄冷大约出现在1 9 3 0 年前后，当时美国在教堂、剧院和乳品厂这类间歇使用、负荷集 中的场所使用冰蓄冷供冷方式。那时的蓄冷只是着眼于减少制冷机容量和制冷设备的购 置费用。随着设备制造业的不断发展，制冷机成本大幅度降低，节省购置费用渐渐失去 了吸引力。相反，蓄冷装置成本高及电耗多的不利因素却突出起来，以致使该项技术的 应用陷入了相当一段停滞期。 白7 0 年代世界能源危机以来，各国政府都十分重视开发与节省能源，从而促进蓄 冷技术迅速发展。 ( 1 ) 美国、加拿大、日本和欧洲一些国家率先将冰蓄冷技术引进到建筑空调系统里 来，积极开发蓄冷设备与蓄冷系统，实施工程逐年成倍增多。 ( 2 ) 日本近年来积极引进蓄冷技术，大力开展冰蓄冷技术的开发研究与应用，到1 9 8 9 年美国、日本、加拿大等国家从事冰蓄冷系统开发和冰蓄冷专用设备生产的公司多达4 9 家。 ( 3 ) 我国台湾省自1 9 8 4 年建成第一个冰蓄冷空调工程以来，蓄冷空调系统发展很快。 由1 9 9 2 年3 3 个发展到1 9 9 3 年为1 4 2 个，到1 9 9 4 年底共建成2 2 5 个蓄冷空调系统，总 冷量高达2 0 0 9 0 0 0 k w h 。转移高峰用电超过5 2 0 0 0 k w 3 1 ，用户每年节省台币约3 1 x 1 0 5 万元。 ( 4 ) 据统计，1 9 9 0 年北美冰蓄冷空调系统的投资占当年新增空调系统总投资的 2 4 2 。 ( 5 ) 9 0 年代，我国大陆地区蓄冷技术也得到了发展。中电深圳工贸公司率先应用了 法国的冰球式蓄冷系统，使装机容量降低4 5 以上h 钔。 4 1 绪论 1 3 2 冰蓄冷技术的发展方向 蓄冷空调技术作为一种移峰填谷、调节能源供需、节约运行费用、实现能量高效合 理利用的手段己经引起人们的高度重视。许多国家的学者和机构都在积极地研究开发， 其目标集中在以下几个方面副： ( 1 ) 建立与冰蓄冷相结合的低温送风空调系统们 冰蓄冷低温系统具有优越的经济特性，如推行冰蓄冷空调并配合低温送风，将大大 地降低能耗，充分利用冰蓄冷系统所产生的低温冷水，一定程度上弥补了因设置蓄冷系 统而增加的初投资，更富有竞争能力和比较看好的发展前景。 ( 2 ) 建立区域性蓄冷空调供冷站m 1 从目前冰蓄冷空调的发展趋势看，建立区域性空调低温供冷站，是颇受关注的一个 热点。已经证明，区域性供冷或供热系统对节能较为有利。这种供冷站可根据区域空调 负荷的大小分类，采用微电脑进行全自动控制，用户取用低温冷媒就像取用自来水、煤 气和电力一样灵活方便。对于单个供冷站而言，区域供冷不仅可以节约大量初投资和运 行费用，而且减少了电力消耗和环境污染。从而可以取得满意的社会、经济和环境效益。 ( 3 ) 开发新型的蓄冷空调机组 对于分散的、暂时还不具备修建集中式供冷站条件的建筑，可以采用中、小型蓄冷 空调机组。 在中小型建筑物空调中，大量应用柜式和分体式空调机。柜式和分体式空调机的用 电量在夏季白天的总空调用电量中占据着相当大的份额，因此将来广泛采用中、小型冰 蓄冷空调机组；也必然是大势所趋。尽管目前它仍是一片空白，坚信不久的将来，这片 空区必定会逐渐缩小，最终完全消失。 ( 4 ) 开发新型蓄冷技术 单就冰蓄冷技术而言，发展直接接触式冰蓄冷技术有其重大的研究价值，直接接触 式冰蓄冷是通过将蒸发器与蓄冰设备合并，于是直接将制冷剂喷射入蓄冰罐与水直接接 触，在制冷剂汽化过程中将水制成冰。采用该技术后，与目前常用的蓄冷技术相比，有 其优越性： 由于制冷剂与水直接接触，两种工质间的传热过程不存在传热间壁的热阻以及 冰层增长的附加热阻，因而可大大提高传热效率。 可以降低制冷剂与水之间的传热温差，减少不可逆传热温差损失，提高制冷机 组的效率。 由于省去了两种工质问的传热设备，大大地节省了材料，系统构造简单，因而 降低了制造成本。 ( 5 ) 开发新型蓄冷、蓄热介质 西安科技大学硕士学位论文 蓄冷技术的发展要求人们去研究开发适用于空调机组，固液相变潜热大，经久耐用 的新型蓄冷材料。新型、便于放置的、无腐蚀性的有机蓄冷介质也在不断开发。如常温 下胶状的可凝胶，它不易流动和泄漏、无污染，可置于密封件内蓄冷。利用气体水合物 和固体的吸附特性进行蓄冷也是目前研究较多的课题。除了研究蓄冷介质外，日本还研 究开发高温相变蓄热介质，主要用于热泵空调机组冬季蓄热采暖，其相变温度一般要求 在3 0 , - - 4 0 范围内。提高高温相变材料的蓄热、传热性能是目前该技术要解决的主要问 题。 ( 6 ) 发展和完善蓄冷技术理论和工程设计方法 有关部门应从发展和优化蓄冷系统的角度出发，加强对现有冰蓄冷设备性能的试验 研究，建立数值分析模型，预测蓄冷设备的性能，从而对冰蓄冷空调系统进行优化设计。 冰蓄冷空调的设计方法与常规空调系统也不相同，其冷负荷计算、机组确定、设备 选择、系统控制皆有别于常规空调系统。通过对已有空调系统测试和运行总结，丰富冰 蓄冷空调设计方法。 ( 7 ) 建立客观公正的冰蓄冷空调系统经济分析和评估方法副 由于冰蓄冷系统种类繁多，因而有必要建立客观的综合评价体系。 在进行冰蓄冷空调系统可行性研究时，如何综合评价冰蓄冷空调系统转移用电负荷 能力、能耗水平和用户效益，如何比较常规空调和冰蓄冷空调系统，是人们一直关心的 一个问题。冰蓄冷空调系统并非适合于所有场合，必须通过认真分析评估，确保能够降 低运行费用、减少设备初投资、缩短投资回收期，才能确定是否采用。 综上所述，冰蓄冷空调技术在当前和未来世纪具有极其广阔的发展前景，今后的任 务是要不失时机地抓住机遇，努力做好技术开拓与推广工作。国产冰蓄冷空调产品要向 低消耗、高能效、实用经济和智能化方向发展；要不断引进国外先进技术，努力提高国 产化水平；要研究开发新产品以适应技术发展和市场不断增长的需要；另外还需要政府 适当的政策支持。 1 4 蓄冷空调技术应用中存在的问题 蓄冷空调技术虽然在我国发展势头很好，但实际应用中存在着一些问题，如负荷匹 配较难掌握，空调负荷高峰期冰的冷量有时来不及释放，即融冰速度不稳定，这跟系统 的运行模式有关；结冰速度、结冰温度和结冰过冷度不太稳定，速度时慢时快，温度时 低时高，过冷度时大时小；运行模式种类多，相应的效率高低难以定论；储冰设备种类 繁多，性能优劣尚需时间检验。目前我们应该主要解决的是： ( 1 ) 蓄冷空调系统的设备国产化问题 蓄冰装置的种类很多，其蓄冷与放冷特性差别很大，所要求的配套设备也不同。目 前，国内大部分都是完全或部分的引进国外设备，国内还不能自主生产。进口设备价格 6 1 绪论 昂贵，这一点势必影响冰蓄冷技术的推广和应用。 ( 2 ) 如何制定合适的电费结构及其用电优惠政策 电费结构及其它的一些优惠措施是影响蓄冷空调系统的关键因素。电力峰谷差价越 大，对采用蓄冷系统越有利。 目前我国许多地方峰谷电价差还不大，甚至有些中小城市还没有实行分时电价政 策，这都将会影响蓄冷空调技术的推广与应用。 ( 3 ) 如何改变设计观念，更新设计方法 蓄冷空调系统的初投资、运行费用与建筑物的冷负荷特性、蓄冷模式、运行策略、 系统形式等均有关系，所以在设计上同传统的常规空调设计存在差异。这就要求设计人 员改变设计观念，建立一套完善的设计、施工、安装、调试、运行管理规范和技术措施， 来推动蓄冷空调技术的发展。 ( 4 ) 如何做好蓄冷空调技术的宣传推广 蓄冷空调技术在我国的应用时间不长，许多用户不甚了解，对其所产生的经济效益 和社会效益认识模糊，是否接受此项技术犹豫不决。因此，应加强宣传，使用户对其有 实质性的认识，接受该技术。 1 5 本文的研究内容 用户是否采用冰蓄冷空调的关键是考虑其经济性。如何评价冰蓄冷空调系统的经济 性是业内人士关注的焦点。因为冰蓄冷空调系统并非适用于所有场合，必须通过经济性 分析，确保冰蓄冷空调系统能减少运行费用，缩短回收期。影响回收期的因素有( 1 ) 空调 冷负荷分布；( 2 ) 电力政策和峰谷电价；( 3 ) 冰蓄冷空调系统的蓄冷策略；( 4 ) 冰蓄冷空调系 统的控制策略；( 5 ) 冰蓄冷空调系统的布置方式；( 6 ) 蓄冷率；( 7 ) 蓄冰设备与制冷设备类型； ( 8 ) 是否采用低温送风系统。 因此，本文主要对影响冰蓄冷系统经济性的一些因素进行了理论分析。同时还提出 了动态与静态经济分析模型，最后利用静态经济分析模型对几个冰蓄冷工程实例中影响 冰蓄冷空调系统经济性的主要因素进行分析。 西安科技大学硕士学位论文 2 1 空调蓄冷方式 2 蓄冷空调系统介绍 目前，国内外用于空调的蓄冷介质主要有水、冰和共晶盐三种。其中水蓄冷为显热 蓄冷，而冰蓄冷和共晶盐蓄冷为潜热蓄冷。按蓄冷介质可分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐 蓄冷和气体水合物蓄冷四种方式。常用空调的蓄冷方式大致可分为下述类型，见图2 1 所示。 ( 1 ) 水蓄冷系统就是利用水的显热进行蓄冷和释冷 水的比热容为4 1 8 k j ( k g ) 。 在蓄冷阶段，制冷机制出的冷冻水放入蓄冷槽储存，在释冷阶段，将冷冻水抽出使用以 满足空调负荷需要。水蓄冷系统的优点是：可以使用常规空调制冷机组，增设蓄冷设备 一般不会降低制冷机的效率，并且初投资少、系统简单、维修方便、无特殊技术要求， 在冬季还可以用于蓄热。它的缺点是：蓄冷密度小、蓄冷槽体积大、占用空间多、冷损 耗大、易泄露，而且，由于水池部分是开启的，循环水容易污染。 ( 2 ) 冰蓄冷系统主要是利用水与冰的相变潜热( 3 3 5 k j k g ) 进行蓄冷和释冷。在蓄冷阶 段，开动制冷机制冰并由蓄冷槽储存起来，在释冷阶段，融冰放冷满足空调负荷需要。 冰蓄冷系统的优点是：由于相变，蓄冷密度大、蓄冷温度几乎恒定，储存相同的冷量， 冰蓄冷所需体积只有水蓄冷的几十分之一，蓄冷槽体积小，占用空间少，容易做成系列 化的标准设备，也可因地制宜，就地制作。它的缺点是：必须采用能制冰的制冷机，并 且由于蒸发温度很低( 要达到5 。c 1 0 。c ) ，制冷机性能系数( c o p ) 降低，此外，由于增设 蓄冰设备，投资增加，冰蓄冷空调系统设备与管路比水蓄冷空调系统复杂，对设备运行 技术要求高。 值得注意的是，蓄冰和低温送风系统相结合已成为建筑空调技术的一个重要方向 1 9 o ( 3 ) 蓄冷( 也称之为优态盐蓄冷) 眩们是利用固液相变特性蓄冷的另一种形式。共晶盐 是由无机盐、水、成核剂和稳定剂组成的混合物。在蓄冷系统中，这些蓄冷介质大多装 在板状、球状或其它形状的密封件里，再放入蓄冷槽中。一般来讲，共晶盐蓄冷槽的体 积比冰蓄冷槽大，比水蓄冷槽小。其主要优点是：它的相变温度较高，可以克服冰蓄冷 蒸发温度低的弱点，并可以使用普通的空调冷水机组。缺点是：共晶盐系统的蓄冷密度 小，不足冰蓄冷的5 0 ，蓄、放冷过程中的热交换性能较差，且设备投资也较高，所以 推广应用受到一定的限制。 ( 4 ) 气体水合物蓄冷 2 0 世纪8 0 年代美国橡树岭国家试验室开始以r 1 l 、r 1 2 等为工质研究气体水合物 2 蓄冷空调系统介绍 蓄冷眩。其机理是在一定的温度和压力下，水在某些气体分子周围会形成坚实的网络 状结晶体，同时释放出固化相变热。 气体水合物属新一代蓄冷介质，又称“暖冰”，采用气体水合物蓄冷温度与空调工 况相吻合，蓄冷密度高而且储冷释冷过程的传热效率高，特别是直接接触式系统。气体 水合物低压蓄冷系统的造价相对低，被认为是一种比较理想的蓄冷方式。但该方法还有 一系列问题有待解决，如制冷剂蒸气夹带水分的清除，防止水合物膨胀堵塞等，工程应 用还有困难。 ( 5 ) 固体吸附蓄冷 近年来，固体吸附技术开始用于制冷领域眩列。当两相组成一个体系时，其组成在 两相界面与相内部是不同的，处在两相界面处的成份产生了积蓄( 浓缩) ，这种现象称为 “吸附”。用某种固体作吸附剂，某种气体作制冷剂，形成吸附对。利用吸附剂的化学 亲和力进行吸附。在固体吸附剂对汽体吸附物吸附的同时，液体吸附物不断地蒸发变成 可供吸附的气体。蒸发过程中实现制冷，然后用热能使吸附物解吸，利用吸附物的气液 相变把冷量储存起来。如此反复，可实现蓄冷。 蓄冷方式 蓄冷f 圣至薹著 蓄冷 晶盐 态蓄冰 图2 1 蓄冷方式类型 2 2 冰蓄冷空调系统的工作原理 由于冰蓄冷空调系统具有独特的优越性，目前应用最广。所以下面仅限于讨论冰蓄 冷空调系统。冰蓄冷系统制冰方式主要分为静态制冰法和动志制冰法 2 3 1 。在结构方面， 冰蓄冷系统的主要特点是比常规空调系统多了一套蓄冰设备，而制冷系统及空调风系统 与常规空调系统基本相同。图2 2 为冰蓄冷系统工作原理图 2 4 1 其中图( a ) 描述了冰蓄冷 9 西安科技大学硕士学位论文 系统的充冷过程，图( b ) 描述了其放冷过程。 制 冷 主 机l 型 o 暨 r l l 0 时，则表示此项目方案是可行的。在运用净现值不能对多个方案 进行评价时，如果各个方案的使用寿命相同，则净现值最大的方案为最优。在分析中， 经济寿命和折现率都必须仔细进行选择。经济寿命为设备所能连续使用的时间长度。对 于蓄冷设备来说，尽管蓄冷槽可能会持续更长的时间，但是最大的经济寿命一般认为是 2 0 年。折现率则代表人们所期望的投资回报率。 2 0 一 一b j rj、【一 g o 一 4 冰蓄冷空调经济性的主要影响因素 4 冰蓄冷空调经济性的主要影响因素 影响冰蓄冷空调系统的经济性的因素很多，其中主要的影响因素有：( 1 ) 空调冷负荷分 布；( 2 ) 电力政策和峰谷电价；( 3 ) 冰蓄冷空调系统的蓄冷策略；( 4 ) 冰蓄冷空调系统的控制 策略；( 5 ) 冰蓄冷空调系统的布置方式；( 6 ) 蓄冷率；( 7 ) 蓄冰设备与制冷设备类型；( 8 ) 是否 采用低温送风系统。 4 1 空调冷负荷分布对经济性的影响 空调冷负荷的分布特征对系统经济性有较大的影响。当空调冷负荷在用电高峰期呈 现高而窄的负荷分布时，采用冰蓄冷系统最为经济，它可以减少高峰电力需求，很好地 实现移峰填谷作用。冰蓄冷空调系统由于是以设计日的逐时冷负荷为基础来确定制冷 机、蓄冰设备、及其辅助设备的容量，所以空调负荷是否符合实际，对一次投资的影响 很大。而且，对于冰蓄冷空调系统的一次投资影响最大的并非是设计日的最大小时负荷， 负荷参差系数( 设计日平均负荷与设计日的最大小时负荷之l l ) 的影响更大。因此进行设 计日逐时供冷负荷的计算对控制冰蓄冷空调系统的一次投资的意义重大。 负荷分布对蓄冰设备的容量的影响，在全蓄冷策略中要比在部分蓄冷策略中大。全 蓄冷系统中，高峰冷负荷出现的时间越靠近空调末期，要求的蓄冰设备的容量越大。部 分蓄冷策略中，任意负荷分布下，可以有多种制冷机与蓄冰设备的容量组合。某一容量 的制冷机对应的蓄冰设备的大小随冷负荷分布的不同而各异。即使一天内总的冷负荷相 同，空调末期的冷负荷越大，蓄冰设备的容量越大。 4 2 电力政策和峰谷电价对经济性的影响 冰蓄冷空调系统的用户主要是通过“移峰填谷”，利用夜间的较低的电价来降低运 行费用而获得经济利益的。因此电费结构或电力政策对冰蓄冷空调系统的经济性的影响 是最基本的。 电力增容费对系统的初投资的影响如下：当电力增容费由2 7 0 0 元瓜w ，优惠到1 5 0 0 元k w 时，初投资可以降低约1 0 ；又回至1 9 0 0 元瓜w 时，初投资降低约1 4 ；取消电 力增容费，则初投资降低2 1 。 关于电价比对冰蓄冷空调系统运行费用的影响：在保持平段电价不变使峰、谷电价 的平均值等于平段电价的前提下，人为的改变峰、谷电价比，发现常规空调系统的运行 费用随电价比的加大而增加。冰蓄冷空调系统采用制冷机优先控制时，随着电价比的加 大，运行费用略有增加，而采用优化控制时，运行费用有明显的下降。 在不同峰、谷电价比下，系统采用不同的控制策略时，冰蓄冷空调系统的运行费用 2 l 西安科技大学硕士学位论文 的变化规律：设计工况下，峰、谷电价相同( 不实行分时计价) 时，制冷机优先控制，蓄冰 优先控制，优化控制的电费无差别。非设计工况下，峰、谷电价比低时，制冷机优先控 制和优化控制的电费差不多，蓄冰优先控制中的电费较大。峰、谷电价比大于1 3 时，蓄 冰优先控制的电费接近最优化控制的电费。当峰、谷电价比在1 3 1 5 时，采取不同的控 制策略时，冰蓄冷空调系统的电费相差不大。 表4 1 是上海地区某3 0 0 0 m 2 办公大楼采用冰蓄冷空调的经济分析情况。大楼的空调 冷负荷为3 7 5 0 k w ，装机功率为9 3 7 5 k w ，采用双工况水冷式螺杆冷水机组，白天空调工 况时c o p 为4 ，夜间制冰时c o p 为3 。系统采用3 0 乙二醇为冷媒。全年运行1 3 8 天。上海 现行电价比为3 ：1 ，电力增容费为9 0 0 元k v a 。 表4 1 上海地区某大楼冰蓄冷系统的经济性 从表4 1 中可知，当蓄冷比例为3 0 时，初投资增加2 1 3 ，运行费用节省1 0 4 ， 峰谷电价比为3 ：1 时，增加投资的回收期为1 1 年：电价比为4 ：1 时，增加初投资的回收 期为8 年。当蓄冷比例为4 0 时，初投资增加2 4 5 ，运行费用节省1 3 6 ，电价比为 3 ：l 时，增加初投资的回收期为9 年，电价比为4 ：1 时，增加投资的回收期为7 年。也就 是说现采用冰蓄冷空调增加投资的回收期较长，进一步拉大电价比可缩短增加初投资回 收期，使业主获益。因此供电部门要制定合理的电价比，政府要给更多的优惠政策。另 外业主要选用合适的冰蓄冷空调系统，显然采用部分蓄冷空调系统，蓄冷比例在 3 0 , - 4 0 ，投资增加相对减少，回收期较短，业主可获得较好的利益。 4 3 冰蓄冷空调系统的蓄冷策略对经济性的影响 蓄冷策略对冰蓄冷空调系统的一次投资与运行费用的影响，主要体现在要求的制冷 机组和蓄冷设备容量大小和运行费用的节省方面。国内外有很多人对这方面进行了研究 后得出的结论是：全蓄冰的一次投资比部分蓄冰的大，而运行费用则低。对于大部分的工 程一般都推荐使用部分蓄冷系统，只有当峰、谷电价比很大时，或在某些特殊的建筑中 4 冰蓄冷空调经济性的主要影响因素 才采用全蓄冰空调系统。 冰蓄冷空调系统采用全蓄冷策略时，蓄冷装置和制冷机的装机容量最大，初投资最 高。相应地，其转移的高峰用电量最多，移峰填谷的能力最大，节省的运行电费最多。 采用部分蓄冷策略虽然转移的高峰用电量和运行电费的节省低于全蓄冷中的，然而其初 投资比全蓄冷的低很多，经济性好。从系统组成，设备的投资，系统运行的科学可靠性 和运行费用等方面综合考虑，部分蓄冷策略应用较广泛【3 】 9 】【3 1 】 3 2 】。部分蓄冷均衡负荷式 策略中，制冷机的利用率最高，蓄冷设备的容量相对而言最小，一般为常规空调系统的 制冷机容量的5 0 左右。但节省的运行费用最少【3 儿9 1 。系统的弹性较差，冷负荷稍有增 加，就不能适应；同时对释冷控制的要求也更严格。部分蓄冷电功率需求限制式策略中， 制冷机全天的负荷率不高，系统初投资与运行电费的节省处于中间的水平。在实际的运 行中，设计日冷负荷下的部分蓄冷策略，在过渡季节往往可以全蓄冷运行，因此，从设 备利用率或负荷适应性方面看，全蓄冷总是不经济的。 采用部分蓄冷策略，可以比常规空调系统减少电力增容量以及相关的动力设备容 量。可以减少1 5 2 0 的电力方面投资。但是设备费要比常规空调系统的高1 5 2 0 。经 济上初投资可以“增”“减 相抵或持平，或比常规空调系统相差3 5 。全蓄冷系统 的蓄冰设备和占地以及投资量要比部分蓄冷增力n 5 0 左右。虽然全蓄冷可以转移约7 0 的高峰用电量，运行电费比常规空调系统中的要减少7 0 左右，但是全蓄冷空调系统的 总造价要比常规空调系统总的高出3 0 4 0 ，约需1 5 年才能收回投资。因而，全蓄冷仅 用于小规模、用冷时间短的工程【3 1 | 。 从寿命周期费用的角度来看，全蓄冷系统由于制冷机容量大，增加了初投资，寿命 周期费用很高。甚至可能比常规空调系统的寿命周期费用还大。全蓄冷系统的运行费用 的节省不能补偿因设备容量大而导致的初投资的增加。只有当峰、谷电价比大于1 0 时， 全蓄冷在电力高峰期，转移用电负荷节省的费用才能超过设备的初投资的增加。合同电 费为实际合同电费的9 0 倍时，全蓄冷策略才具有经济优势。寿命周期运行费用最小的冰 蓄冷空调系统采用部分蓄冷策略，且系统的总能耗的4 0 左右为低谷能耗。 负荷分布会影响制冷机与蓄冰设备的容量。但在不同的蓄冷策略中，负荷分布的影 响存在差异。就蓄冰设备容量而言，负荷分布的影响在全蓄冷策略中比部分蓄冷策略中 要大。全蓄冷策略中，满足供冷要求的蓄冰设备容量大小由蓄冰设备在释冷时期的总供 冷量和负荷分布图来确定。高峰冷负荷出现的时间越靠近空调末期，要求的蓄冰设备的 容量越大。部分蓄冷策略中，冷负荷的分布情况对制冷机和蓄冰设备的容量大小有影响。 在某一冷负荷分布下。有许多制冷机和蓄冰设备的容量组合。存在最大与最小的制冷机 容量。最大制冷机容量为常规空调系统中，按最大小时冷负荷来确定的制冷机容量。最 小制冷机容量为制冷机连续运转且蓄冰设备的容量最大时的容量。制冷机的最小容量必 须满足以下的约束条件：夜间能使蓄冰设备完全充冷。部分蓄冷策略中，在确定了制冷机 西安科技大学硕士学位论文 的容量之后，与其配套的蓄冰设备容量主要受冷负荷分布的影响。 全蓄冷比部分蓄冷的回收期长。部分蓄冷中负荷均衡式与用电负荷限制式二者之 中，哪一个较好，则依赖于投资标准的选择与用户对投资所要求的回报。以回收期作为 评价的标准，负荷均衡式较好，而以净现值作为评价的标准，则用电负荷限制式具有优 势。 蓄冷策略